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時間晶體是一種特殊的物質形態,它會隨著時間展現出連續、重復的模式,就像普通晶體中的原子在空間中重復排列一樣。
在一項新發表于《自然·材料》的研究中,一個物理學家團隊使用常見的液晶材料,制造了一種新的時間晶體。雖然這并非科學家首次制造出時間晶體,但這是人類第一次能夠真正看見的時間晶體,為未來的技術應用打開了大門。
從空間晶體到時間晶體
2012年,諾貝爾獎得主維爾切克(Frank Wilczek)首次提出時間晶體的設想。傳統晶體可以看作“空間晶體”,比如金剛石中的碳原子,會在空間中形成堅固的晶格結構。維爾切克則設想,是否可能在時間維度形成類似的有序結構?
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時間晶體的重復有點像地球的四季,一年一次,像時鐘一樣精準。
維爾切克設想的版本幾乎類似于“永動機”:即便原子處于自然靜止狀態下,它們仍能不斷運動或轉變,像一段永不停止循環播放的動畫。但不久之后,科學家通過數學證明這一設想是不可實現的。不過,科學家們很快發現,其他形式的時間晶體是可能存在的。比如,在一些始終處于動態而非靜止的奇特系統中,就能出現有序的時間晶體。
此后,科學家們用多種方式制造過時間晶體,比如利用金剛石中的納米缺陷、俘陷離子系統。2021年,甚至有物理學家利用谷歌的Sycamore量子計算機,通過激光操縱原子網絡讓它們產生周期性重復的波動,創造出了非常接近時間晶體的物質相。
然而,這些現象只存在于復雜的量子物質系統中,局限于微觀尺度。
光照下誕生的“晶體”
在新的研究中,研究人員找到了可以制造出能直接在顯微鏡下,甚至在某些特殊條件下“肉眼可見”的時間晶體的方法:他們嘗試用液晶來實現類似的奇跡。液晶由細長的棒狀分子組成,它們既像固體,又像液體。由于液晶分子之間的作用力,會使這些棒狀分子通常保持同一方向。
在實驗中,他們將一層液晶膜夾在兩塊涂有光敏染料分子的玻璃板之間。起初,液晶樣品幾乎保持靜止。但當用光在特定條件下照射玻璃板上的光敏染料分子時,這些染料分子的取向會發生改變,進而擠壓液晶分子。
計算機模擬展示了時間晶體的內部機制:一束光(藍色箭頭)使染料分子(紅色棒狀)改變取向,從而驅動下方液晶的運動。(圖/Smalyukh Lab)
一旦有些液晶分子發生“扭曲”,就會引發連鎖反應,瞬間產生了成千上萬個新的“扭折”(扭曲結構)。研究人員發現,這些扭折隨后進入復雜的相互作用過程,它們會開始旋轉、流動和重新排列,并呈現出隨時間周期性重復的運動模式。
時空晶體的“舞蹈”
這些扭折無法被輕易移除,它們可以移動,甚至在某些條件下會像粒子一樣發生相互作用,并產生可見的波紋。為了進一步觀察,研究人員使用只透射偏振光的顯微鏡對這些分子進行了觀測。他們發現,這些液晶分子的排列方向決定了光的通過量,從而將這些波紋呈現為明暗相間的條紋。
時間晶體運動過程視頻。(圖/Smalyukh Lab)
而且更令人驚訝的是,即便改變液晶的溫度或光的強度,它依然能維持其獨特的節奏數小時——就像一只永不停歇的時鐘。而通過調節裝置,實驗還可以生成厘米級的圖樣,因此盡管分辨率和對比度低于顯微鏡成像,但這種效應即便用肉眼也能直接觀測到。
研究人員指出,由于其圖樣在空間和時間上同時變化,因此從嚴格意義上說,它應被稱為“時空晶體”。不過,它無疑符合時間晶體的定義,同時也引發了一個問題:是否還有其他周期性現象也能納入這一范疇?
應用前景
研究人員強調,這類時間晶體并不僅僅是科學上的好奇,還具有多種潛在用途。比如,這種晶體層可以被嵌入鈔票作為防偽元素——只需用光照射,就能顯現獨特的“時間水印”,從而驗證鈔票真偽。通過堆疊不同圖樣的時間晶體,還能生成更復雜的圖案,比如動態二維碼,未來或許可用于大容量數字數據存儲。
不過,研究人員表示,他們不想過早地為它的用途設限,并認為這項技術有機會在許多領域發揮作用。
#參考來源:
https://www.colorado.edu/today/2025/09/05/physicists-have-created-new-time-crystal-it-wont-power-time-machine-could-have-many
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02344-1
https://www.nature.com/articles/d41586-025-02939-3
#圖片來源:
封面圖&首圖:Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials
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